JP2011027645A

JP2011027645A - 焦電型赤外線検出器

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Publication number: JP2011027645A
Application number: JP2009175867A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Nishikawa; 尚之西川; Tomohiro Uetsu; 智宏上津; Yoshiaki Honda; 由明本多; Makoto Taniguchi; 良谷口
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2029-07-28
Also published as: JP5513797B2

Abstract

【課題】検知器の設置箇所に拠らず効率よく検知を行う。
【解決手段】焦電効果を有する板状のチップ１１、及びチップ１１の一面に並設される一乃至複数の一面側電極１２、及びチップ１１を介して一面側電極１２とそれぞれ対向して設けられて、当該対向する一面側電極１２と異なる極性を有する一乃至複数の他面側電極１３からなる焦電素子１と、焦電素子１を収納する中空箱型に形成されて窓孔３２ａが穿設され、窓孔３２ａに入射する光以外を遮光するパッケージ３と、パッケージ３の窓孔３２ａに設けられてチップ１１の一面に対向し、赤外線を透過させるレンズ４とを備え、前記一乃至複数の一面側電極１２は、各電極の並設方向に垂直な方向の寸法の略中央が、前記並設方向に沿った同一の中心軸Ｌ１上に位置し、当該中心軸Ｌ１がレンズ４の光軸Ｌ２と交わらない。
【選択図】図１

Description

本発明は、焦電型赤外線検出器に関するものである。

従来から、人体検知などに用いる赤外線検出器が種々提供されており、このような赤外線検出器では、焦電効果を利用して人体より放射された赤外線の変化量を検出する焦電素子を備えた焦電型赤外線検出器がよく用いられている。

この種の焦電型赤外線検出器としては、人体より放射された赤外線をレンズにより焦電素子の受光部に集光させ、赤外線の変化に応じて発生する焦電素子の分極による信号を電流電圧変換回路で電圧信号に変換した後、バンドパスアンプで所定の周波数帯域を選択的に増幅し、予め閾値を設定しているウィンドウコンパレータからＨｉｇｈレベルまたはＬｏｗレベルの検出信号を出力するものが提案されている。このような赤外線検出器の検出信号は、防犯用の侵入検知や、照明などの負荷制御に利用されている。

上記焦電型赤外線検出器の一例として、外光を遮断するパッケージに窓孔を穿設し、当該パッケージ内において窓孔と対向する位置に焦電素子を収納すると共に、赤外線を透過するレンズを窓孔に設けたものがある（例えば特許文献１参照）。

上記焦電型赤外線検出器で用いられる焦電素子１０は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、焦電効果を有する略矩形板状チップ１０１と、当該チップ１０１の一面に並設される複数の一面側電極１０２と、チップ１０１の他面に並設される複数の他面側電極１０３とで構成されている。また、各一面側電極１０２と各他面側電極１０３とはチップ１０１を介して互いに対向しており、対向する一面側電極１０２と他面側電極１０３とは極性が異なっている。

そして、チップ１０１の一端には、プラス極の検出用端子１０ａが設けれ、他端にはマイナス極の基準電位用端子１０ｂが設けられて、検出用端子１０ａには、一面側電極１０２及び他面側電極１０３の検出用電極（プラス極）１０２Ａ、１０３Ａが接続され、基準電位用端子１０ｂには、一面側電極１０２及び他面側電極１０３の基準電位用電極（マイナス極）１０２Ｂ、１０３Ｂが接続される。

また、チップ１０１の一面では、検出用電極１０２Ａと基準電位用電極１０２Ｂとが交互に並設され、チップ１１の他面では、検出用電極１０３Ａと基準電位用電極１０３Ｂとが交互に並設されている。

そして、各一面側電極１０２の長さ方向（並設方向に垂直な方向）の寸法の略中央が、幅方向（並設方向）に沿った同一の中心軸Ｌ３上に位置し、当該中心軸Ｌ３が、レンズ１０４の光軸Ｌ４とチップ１０１の一面との交点Ｑを通る。つまり、各前面側電極１０２の中心軸Ｌ３と光軸Ｌ４とが交わる。

そのため、本従来例における赤外線検出器では、図８に示すように、レンズ４の光軸Ｌ４を対称軸として検知領域Ｅ２が、前面側電極１２Ａの長さ方向において対称となっている。つまり、光軸Ｌ２の一方側の最大検知領域Ｅ２１と、光軸Ｌ２の他方側の最大検知領域Ｅ２２とが略等しい。なお、ここでいう最大検知領域とは、焦電型赤外線検出器の側方に障害物が無い場合の検知領域である。

特開平１１−２４８５４０号公報

しかしながら、上記従来例における焦電型赤外線検出器は、図９に示すように、例えば壁際等に取り付けられた場合、レンズ４の光軸Ｌ４よりも壁側の検知領域が狭くなる（斜線で示す検知領域Ｅ２２´となる）ため、焦電型赤外線検出器の検知能力（図８に示す検知領域Ｅ２）に対して実際の検知領域Ｅ２´が狭くなり効率の悪いものであった。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、レンズの光軸に対して検知領域を特定の方向に広げることで、検知器の設置箇所に拠らず効率よく検知を行うことができる焦電型赤外線検出器を提供することにある。

請求項１の発明は、焦電効果を有する板状のチップ、及びチップの一面に並設される一乃至複数の一面側電極、及びチップを介して一面側電極とそれぞれ対向して設けられて、当該対向する一面側電極と異なる極性を有する一乃至複数の他面側電極からなる焦電素子と、焦電素子を収納する中空箱型に形成されて窓孔が穿設され、窓孔に入射する光以外を遮光するパッケージと、パッケージの窓孔に設けられてチップの一面に対向し、赤外線を透過させるレンズとを備え、前記一乃至複数の一面側電極は、各電極の並設方向に垂直な方向の寸法の略中央が、前記並設方向に沿った同一の中心軸に位置し、当該中心軸がレンズの光軸と交わらないことを特徴とする。

この発明によれば、レンズの光軸に対して検知領域を特定の方向に広げることで、検知器の設置箇所に拠らず効率よく検知を行うことができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記一面側電極は、チップの一面において隣り合う電極同士の極性が互いに異なるように偶数個並設され、前記他面側電極は、チップの他面において隣り合う電極同士の極性が互いに異なるように一面側電極と同数並設され、チップを介して対向する一面側電極と他面側電極とは極性が異なることを特徴とする。

この発明によれば、隣り合う電極同士の極性が互いに異なることで、熱のゆらぎによるノイズの影響を低減することができ、検知精度を向上させることができる。

以上説明したように、本発明では、レンズの光軸に対して検知領域を特定の方向に広げることで、検知器の設置箇所に拠らず効率よく検知を行うことができる焦電型赤外線検出器を提供するという効果がある。

本発明の実施形態における焦電型赤外線検出器が備える焦電素子及びレンズの概略図を示す。（ａ）〜（ｃ）は、同上における焦電型赤外線検出器の概略図を示し、（ａ）は、Ａ−Ａ断面図、（ｂ）は、前面図、（ｃ）は、Ｂ−Ｂ断面図を示す。同上における焦電型赤外線検出器の斜視図を示す。（ａ）、（ｂ）は、同上における赤外線検出器が備える焦電素子の外観図を示し、（ａ）は、前面図、（ｂ）は、後面図を示す。同上における焦電型赤外線検出器が備える焦電素子及びレンズの配置図を示す。同上における焦電型赤外線検出器が備える焦電素子及びレンズの配置図を示す。（ａ）、（ｂ）は、従来例における赤外線検出器が備える焦電素子の外観図を示し、（ａ）は、前面図、（ｂ）は、後面図を示す。同上における焦電型赤外線検出器が備える焦電素子及びレンズの配置図を示す。同上における焦電型赤外線検出器が備える焦電素子及びレンズの配置図を示す。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態）
本発明の実施形態の焦電型赤外線検出器は、図１、２に示すように、焦電素子１と、当該焦電素子１に電源を供給すると共に当該焦電素子１から検出信号を受信する回路ブロック２と、焦電素子１及び回路ブロック２を収納する中空箱型のパッケージ３と、当該パッケージ３に穿設される窓孔３２ａに設けられるレンズ４と、回路ブロック２に接続されてパッケージ３を貫通し外部に突出する３つの端子５ａ〜５ｃとを備えている。以下、図２（ａ）における上下左右を前後左右方向として説明を行う。

焦電素子１は、図４に示すように、焦電効果を有する板状のチップ１１と、当該チップ１１の前面に略等間隔に並設される複数の前面（一面）側電極１２と、チップ１１の後面に並設される複数の後面（他面）側電極１３とから構成される。

チップ１１は、焦電材料（例えば、ＰＺＴまたはリチウムタンタレート等）により略正方形の板状に形成されており、前面には略矩形状の前面側電極１２が偶数個（本実施形態では４個）略等間隔に並設されている。ここで、各前面側電極１２は、それぞれ略等しいサイズに形成されて幅方向に並設されており、長さ方向（幅方向に垂直な方向）の寸法の略中央が幅方向に沿った同一の中心軸Ｌ１上に位置する。

また、前面側電極１２は、隣り合う電極の極性が互いに異なるように、検出用（プラス）電極１２Ａと、基準電位用（マイナス）電極１２Ｂとが交互に並設される。更に、チップ１１の後面には、当該チップ１１を介して各前面側電極１２に対向する後面側電極１３が配設されている。ここで、後面側電極１３は、チップ１１を介して対向する前面側電極１２と異なる極性を有している。具体的には、チップ１１を介して検出用電極１２Ａと対向する位置には、基準電位用（マイナス）電極１３Ｂが配設され、基準電位用電極１２Ｂと対向する位置には検出用（プラス）電極１３Ａが配設される。つまり、チップ１１の後面では、検出用電極１３Ａと基準電位用電極１３Ｂとが幅方向に交互に並設される。

そして、チップ１１を検出用電極１２Ａ及び基準電位用電極１３Ｂで挟み込むことでセンシングエレメント１ａが形成され、チップ１１を検出用電極１３Ａ及び基準電位用電極１２Ｂで挟み込むことでセンシングエレメント１ｂが形成されている。即ち、センシングエレメント１ａ、１ｂは、幅方向に交互に並設されている。

また、チップ１１の左端には、検出用電極１２Ａ、１３Ａと接続される検出用端子１１ａが形成され、右端には、基準電位用電極１２Ｂ、１３Ｂと接続される基準電位用端子１１ｂが形成される。

回路ブロック２は、略円柱状に形成されて焦電素子１を駆動する図示しない駆動回路を備えている。当該駆動回路は、焦電素子１の基準電位用電極１２Ｂ，１３Ｂに与える基準電位（例えば、２Ｖ）を生成すると共に、焦電素子１の検出出力（グランドレベルに対して正、負のいずれかの方向のレベルを持つ検出出力）を増幅する電流増幅回路と、当該電流増幅回路の出力からノイズ成分を除去するためのバンドパスフィルタと、当該バンドパスフィルタから出力される検出出力のレベルと所定の閾値とを比較することで、ＨｉｇｈレベルまたはＬｏｗレベルの検出信号を出力するウィンドウコンパレータとで構成されている。なお、人体検知を行う場合には、一般的に１Ｈｚ位がピークの周波数応答が持たせられる。

そして、回路ブロック２の前面略中央には凹部２ａが形成されており、焦電素子１は当該凹部２ａを跨ぐ形で回路ブロック２に実装される。その際、焦電素子１の検出用端子１１ａと、基準電位用端子１１ｂとは、回路ブロック２の前面に形成されるそれぞれ異なる図示しないランドを介して回路ブロック２と電気的に接続される。

パッケージ３は、金属材料（例えば、ＳＰＣやコバールなど）により形成され、略円盤状のステム３１と、当該ステム３１に覆設されるキャップ３２とで構成される。

ステム３１は、略円盤状に形成されてその前面には回路ブロック２が固定される。

キャップ３２は、後面が開口した中空円筒型に形成され、ステム３１の開口周縁に形成される段部３１ａにキャップ３２の開口端が嵌まり込むことで、ステム３１と共に回路ブロック２を収納する。また、キャップ３２の前面には略矩形状の窓孔３２ａが形成され、当該窓孔３２ａはレンズ４によって閉塞される。その際、レンズ４の中心軸Ｌ２が、チップ１１の中心Ｐを通る。

レンズ４は、導電性を有する材料、例えば半導体（一例としては不純物をドープした低抵抗のシリコン基板）や、導体を用いて略半球状に形成され、導電性接着剤（例えば、銀ペースト）を用いてキャップ３２の前面内側に固定される。ここで、レンズ４は、特定の周波数域の赤外線だけを透過させるバンドパス型のレンズであって、本実施形態の赤外線検出器の使用用途が人体検知の場合には、おおよそ４μｍ以上の波長の光を透過し、それよりも波長が短い赤外線をカットするようなものを用いる。

また、レンズ４は、特許４００７３９５号に記載の製造方法によって形成され、所望の曲率に設定された滑らかな曲面を有している。当該レンズ４は、高い屈折率を持つシリコンやゲルマニウム等の材料から形成されるため、単焦点化が図り易く、赤外線検出器自体のサイズを小さくすることが可能である。また、レンズ４の製作方法は上記方法に限定されず、研磨や切削等の加工により作られるものであってもよい。

端子５ａ〜５ｃは、導電性材料から長尺丸棒状に形成され、それぞれ、電源供給用端子５ａ、グランド用端子５ｂ、検出信号出力用端子５ｃとして用いられる。そして、端子５ａ〜５ｃは、回路基板２の厚み方向に貫設される３つの貫通孔２ｂ_１〜２ｂ_３、及びステム３１に貫設される３つの貫通孔３１ｂ_１〜３１ｂ_３にそれぞれ貫挿される。

ここで、グランド用端子５ｂが貫設される貫通孔２ｂ_２は、グランド用端子５ｂの外形よりもやや大きく形成されており、グランド用端子５ｂは貫通孔２ｂ_２に挿入された後に導電性接着剤（例えば、銀ペーストなどの導電性ペースト）によってステム３１に固定されて当該ステム３１と電気的に接続される。

一方、電源供給用端子５ａが挿通する貫通孔２ｂ_１、３１ｂ_１、及び検出信号出力用端子５ｃが挿通する貫通孔２ｂ_３、３１ｂ_３の外形は、貫通孔２ｂ_２、３１ｂ_２よりも大きく形成されており、電源供給用端子５ａと貫通孔２ｂ_１との隙間、及び検出信号出力用端子５ｃと貫通孔２ｂ_３との隙間には、ガラスなどの絶縁性有する図示しない封止材で封止される。

また、電源供給用端子５ａと検出信号出力用端子５ｃとは、それぞれ前端が導電性接着剤によって回路ブロック２と接続されて、当該回路ブロック２と電気的に接続される。

そして、焦電型赤外線検出器は、電源供給用端子５ａとグランド用端子５ｂとを介して外部からの動作電源の供給を受け、検出信号出力用の端子５ｃとグランド用端子５ｂとを介して外部へ検出信号を出力する。

ここで、本実施形態における焦電型赤外線検出器では、図１に示すように、各前面側電極１２の長さ方向の略中央を通る中心軸Ｌ１と、レンズ４の光軸Ｌ２とが交わらないように設定されている。具体的に説明すると、図４に示すように、レンズ４の光軸Ｌ２が、チップ１１の前面の中心Ｐを通り、当該中心Ｐを各前面側電極１２の中心軸Ｌ１が通らないように各前面側電極１２が形成される。本実施形態では、各前面側電極１２の中心軸Ｌ１が、チップ１１の中心Ｐを通る中心軸Ｌ１１から前面側電極１２の長さ方向（図４（ａ）における上方向）へ偏移して設けられている。

なお、本実施形態では、各前面側電極１２の位置をチップ１１の中心軸Ｌ１１に対して当該前面側電極１２の長さ方向へ偏移させることで、各前面側電極１２の中心軸Ｌ１と光軸Ｌ２とが交わらないようにしているが、窓孔３２ａの位置をずらす、または、焦電素子１の実装位置を回路ブロック２の中心から左右方向、または、上下方向へずらすことで、光軸Ｌ２と各前面側電極１２の中心軸Ｌ１とが交わらないようにする構成であってもよい。

また、レンズ４が、上記記載の方法（特許４００７３９５）によって製造された場合には、レンズ４が例えばシリコン等の高い屈折率を有した材料から構成されることで、単焦点化が可能となり、素子のわずかな偏移で検知領域を大きく変化させることができる。

そして、図５に示すように、本実施形態における焦電型赤外線検出器の最大検知領域Ｅ１は、例えば、各前面側電極１２の中心軸Ｌ１の位置を各前面側電極１２の長さ方向においてチップ１１の中心軸Ｌ１１よりも一方側へ偏移させることで、光軸Ｌ２よりも他方側の最大検知領域Ｅ１１が広くなり、光軸Ｌ２よりも一方側の最大検知領域Ｅ１２が狭くなって、最大検知領域Ｅ１を特定の方向へ広げることができる。

そのため、図６に示すように、光軸Ｌ２のいずれか一方側（図３における左側）に壁等の障害物が近接する（例えば、焦電型赤外線検出器が壁際等に設置されたり、光軸Ｌ２の一方側に照明器具等の光源が設置される）場合であっても、各前面側電極１２の中心軸Ｌ１をチップ１１の中心軸Ｌ１１の一方側へ偏移させることで、光軸Ｌ２より一方側（障害物側）の最大検知領域Ｅ１２を狭めて、光軸Ｌ２より他方側の最大検知領域Ｅ１１を広げることで、実際の被検知領域に合わせた最大検知領域Ｅ１を設定することができ、効率よく赤外線検知を行うことができ、更に、照明器具等などによる外乱光の影響を小さくすることができる。

また、本実施形態の焦電型赤外線検出器が備える焦電素子１は、前面に偶数個の前面側電極１２が並設されて、後面には前面側電極１２と等しい数の後面側電極１３が偶数個並設されている。ここで、前面側電極１２及び後面側電極１３は、隣り合う電極の極性が互いに異なるように配置されている。つまり、チップ１１の前面には、検出用（プラス）電極１２Ａと、基準電位用（マイナス）電極１２Ｂとが交互に同数配置され、チップ１１の後面には、検出用（プラス）電極１３Ａと、基準電位用（マイナス）電極１３Ｂとが交互に同数配置されている。即ち、センシングエレメント１ａとセンシングエレメント１ｂとが交互に同数個配置されている。

ここで、焦電素子１は、各エレメント１ａ、１ｂの出力の和を検出信号として出力する。例えば、焦電型赤外線検出器の検知領域Ｅ１に人が侵入した場合、人が存在する位置に対応するセンシングエレメントのみが赤外線を検知する。そのため、焦電素子１からは、当該人体を検知したセンシングエレメント１ａまたはセンシングエレメント１ｂの出力信号のみが検知信号として出力され、人体検知が行われる。

一方、外乱光等による熱のゆらぎが発生した場合、複数のセンシングエレメント１ａ、１ｂが反応する。しかし、センシングエレメント１ａの出力信号とエレメント１ｂの出力信号とは極性が反対になっているため、互いに打ち消し合って熱のゆらぎによる出力信号は低減される。また、パッケージ３外の熱源からの熱が、パッケージ３を介して各センシングエレメント１ａ、１ｂに伝わって熱のゆらぎが発生した場合であっても、上記同様に互いに打ち消し合って熱のゆらぎによる出力信号は低減される
従って、熱のゆらぎが発生した場合であっても、ノイズの影響を低減することができ、検知精度を向上させることができる。

１焦電素子
２回路ブロック
３パッケージ
４レンズ
１１チップ
１２前面（一面）側電極
１３後面（他面）側電極
３１ステム
３２キャップ
３２ａ窓孔
Ｌ１中心軸
Ｌ２光軸

Claims

焦電効果を有する板状のチップ、及びチップの一面に並設される一乃至複数の一面側電極、及びチップを介して一面側電極とそれぞれ対向して設けられて、当該対向する一面側電極と異なる極性を有する一乃至複数の他面側電極からなる焦電素子と、
焦電素子を収納する中空箱型に形成されて窓孔が穿設され、窓孔に入射する光以外を遮光するパッケージと、
パッケージの窓孔に設けられてチップの一面に対向し、赤外線を透過させるレンズとを備え、
前記一乃至複数の一面側電極は、各電極の並設方向に垂直な方向の寸法の略中央が、前記並設方向に沿った同一の中心軸上に位置し、当該中心軸がレンズの光軸と交わらないことを特徴とする焦電型赤外線検出器。
前記一面側電極は、チップの一面において隣り合う電極同士の極性が互いに異なるように偶数個並設され、前記他面側電極は、チップの他面において隣り合う電極同士の極性が互いに異なるように一面側電極と同数並設され、チップを介して対向する一面側電極と他面側電極とは極性が異なることを特徴とする請求項１記載の焦電型赤外線検出器。